STANOVENÍ TOPNÉHO FAKTORU TEPELNÉHO ČERPADLA 1. Teorie: Tepelné čerpadlo využívá energii okolního prostředí a přeměňuje ji na teplo. Používá se na vytápění budov a ohřev vody. Na stejném principu jako tepelná čerpadla pracují kompresorové chladničky, které využívají tzv. studený okruh. Tepelné čerpadlo naopak využívá okruh teplý tzn., že motorkompresor stlačí pracovní médium – chladivo, které tak získá teplo, které ve výměníku kondenzátoru předá vodě (nebo vzduchu) pro vytápění a ohřev užitkové vody. Poté redukční ventil podstatně sníží tlak pracovního média, tím se zároveň prudce sníží teplota. K jejímu opětovnému zvýšení se v dalším výměníku – výparníku využije energie okolního prostředí (vzduch, voda, země) a tento cyklus se opakuje. O topném faktoru můžeme hovořit jako o ukazateli efektu tepelného čerpadla. Ekonomicky efektivní může být takové opatření zvyšující topný faktor, kde zvýšené investiční náklady budou uhrazeny zvětšenou úsporou energie a především úsporou nákladů při únosné návratnosti...viz. obr. 1.
Obr. 1: Graf optimalizace topného faktoru v závislosti na průměrné ceně energie.
1
Obr. 2: Graf návratnosti investice u vytápění středního domu (spotřeba 3000 kWh, ohřev 200 TUV/den, dvoukanálová topná soustava). TUV – teplá užitková voda
Obr. 3: Ovládací panel pro zapnutí kompresoru a čerpadla (pro rovnoměrné rozložení teploty v kyblíku kondenzátoru). Zobrazené teploty příslušejí různým částem tepelného čerpadla.
2
Obr. 4: Vyobrazení tepelného čerpadla.
3
Výhody tepelného čerpadla: 1. Provoz tepelného čerpadla je energeticky nenáročný, může ušetřit až 80 % nákladů za energii na vytápění a ohřev teplé vody. 2. Náklady na pořízení tepelného čerpadla se vrátí i bez dotací již do 3 – 8 let. 3. Pořízením tepelného čerpadla se vás bude méně dotýkat další zdražování energií. 4. Provoz tepelného čerpadla je krokem k ekologii, protože malá spotřeba elektrické energie sama o sobě šetří životní prostředí. 5. Oproti tradičnímu vytápění klasickými tuhými palivy s přikládáním do kotle je provoz tepelného čerpadla čistý, pohodlný a bezobslužný. Tepelné čerpadlo se dá ovládat i dálkově pomocí internetu nebo mobilního telefonu. 2. Výpočty: 2.1. Tepelný výkon (užitné teplo) kondenzátoru: Q = M ⋅ cv (tV2 - tV1), Q - tepelný výkon kondenzátoru (užitné teplo) [J/s = W], M - průtokové množství = 0,005 [kg/s], cv - měrná tepelná kapacita vody = 4180 [J/K.kg], tV1 - teplota vody studené [°C], tV2 - teplota vody ohřívané [°C]. 2.2. Topný faktor:
ε = Q ⁄ P0, ε - topný faktor [-] P0 - příkon kompresoru [W]. 3. Úkol: Stanovte topný faktor tepelného čerpadla, čímž je poměr tepelného výkonu kondenzátoru ku příkonu kompresoru. Stanovte také závislosti příkonu kompresoru, tepelného výkonu kondenzátoru a topného faktoru na čase. Pouze slovy popište změny tlaku v kondenzátoru a výparníku v čase. Jak drahý byl provoz tohoto zařízení po dobu Vašeho měření? 4. Pomůcky: 1. Tepelné čerpadlo – nastaveno na maximální přetlak 18 barů 2. Stopky, wattmetr, kyblíky
4
5. Postup měření: a) Zapněte tepelné čerpadlo (zastrčením zásuvky do wattmetru) a opište si aktuální cenu spotřeby (tlačítko cena na wattmetru) – tlačítko čerpadlo a kompresor zatím nezapínat. Seznamte se s jednotlivými částmi čerpadla a zjistěte které tepelné čidlo je napojeno na který displej (který displej zobrazuje teplotu dané části tepelného čerpadla). b) Naplňte oba kyblíky vodou a postavte je na stolečky a opatrně ponořte kondenzátor i výparník (vždy ve spolupráci minimálně dvou studentů). c) Opište si dílčí parametry (viz. tab.) v čase 0. Zapněte kompresor a průběžně po 2 minutách zaznamenávejte tyto parametry po dobu 40 minut. Současně orientačně sledujte změny teplot v různých částech čerpadla. d) Pokud se teplota v kondenzátoru dostane pod 4 °C (display Tv1), tak zapněte čerpadlo (tlačítko „čerpadlo" na základním panelu) – míchání vody v kondenzátoru (voda pod 4 °C přestává cirkulovat) – zapnutím míchání se ovšem vnáší do měření chyba. e) Ukončete měření – zapište si opět aktuální cenu na wattmetru a diskutujte cenu po dobu měřených 40ti minut. Případně si dále opište kolik by stál stálý provoz tohoto čerpadla za den/měsíc/rok (opět tlačítko cena). Vypněte zařízení vytažením zástrčky ze zásuvky. Vodu z kyblíků nevylévejte – případně je jen prohoďte – opět ve spolupráci (kondenzátor/výparník).
5
Naměřené a vypočtené hodnoty: 1 kWh ~ 3.9 Kč, 1 bar = 0,1 MPa Tv1 - teplota vody studené [°C]
Tpk - teplota páry v kompresoru [°C]
Tchs - teplota chladiva při sání [°C]
Tv2 - teplota vody ohřívané [°C]
Tzch - teplota zkapalněného chladiva [°C]
Tchn - teplota chladiva při nástřiku [°C]
pv - tlak ve výparníku [Pa]
pk - tlak v kondenzátoru [Pa]
Q - tepelný výkon (užitné teplo) kondenzátoru [kJ], Q = M ⋅ cv (tV2 - tV1) P0 - příkon kompresoru [W] M - průtokové množství kompresoru (výtlak) = 0,005 [kg/s] cv - měrná tepelná kapacita vody = 4180 [J/K.kg]
ε - topný faktor, ε = Q ⁄ P0 [-] Délka měření 0-40 min. Čas /min 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Tv1 /°C
Tv2 /°C
Tpk /°C
Tzch /°C
Tchs /°C
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 6
Tchn /°C
pv /bar
pk /bar
P0 /W
ε
Q -1
/J.s
/-
6. Zpracování naměřených údajů: a) Dopočítejte topný faktor a tepelný výkon kondenzátoru pro každý mezičas. Diskutujte optimální hodnotu topného faktoru. b) Na milimetrový papír nebo v počítači vykreslete grafy P0(t), Q(t) a ε(t). Vynechávejte hodnoty času t = 0 - jsou pouze srovnávací. Pouze slovy popište změny tlaku v kondenzátoru a výparníku v čase. c) Závislost P0(t) by měla vykazovat v tomto časovém intervalu lineární závislost – popište proto tuto přímku její rovnicí za pomoci metody nejmenších čtverců. Pokud bylo v průběhu měření zapnuto pomocné („míchací“) čerpadlo, potom se to v jednotlivých charakteristikách projeví skokově. Pro popis poté vyberte pouze jednu z těchto přímek. K ustálení příkonu P0 dochází až po měřeném časovém intervalu (přibližně po 1 hodině měření). d) Diskutujte a popište jednotlivé závislosti (polynomická, lineární…). Maxima, minima, ustálení, okamžik zapnutí („míchacího“) čerpadla… e) Návrhy na zlepšení + možnosti které mohly zapříčinit vnesení chyb. 5. Grafické závislosti: 6. Závěr:
7
